Undergångsbubblorna

English translation below

Jag har i de senaste blogginläggen förvarnat om att jag skulle berätta om vad ett svart hål egentligen är för någonting. Nu är det dags. Håll i dig, för det här är nytt, vilt och kanske alldeles åt skogen fel. Eller så är det rätt. Vi får se.

Man brukar ju föreställa sig ett svart hål som en avgrund utan återvändo. När man faller genom händelsehorisonten är allt för sent och en liten stund senare krossas man i singulariteten där tid och rum upphör. Så har man trott, men stämmer det verkligen?

Svarta hål leder till besvärliga paradoxer när man slår på kavntmekaniken – trogna läsare av bloggen drar sig till minnes en serie av inlägg. Problemet är faktiskt så besvärligt att det bästa nog vore om de svarta hålen i strikt mening inte fanns. Kan det till och med vara så att en fungerande teori för kvantgravitation, som strängteorin, faktiskt inte tillåter att de skapas? Tankar har börjat tänkas i den riktningen, och nu har jag, Giuseppe Dibitetto och Suvendu Giri hittat en sådan möjlighet just med hjälp av strängar. Artikeln finns här.

Vad vi påstår är att ett svart hål är som en såpbubbla. Ja, just en såpbubbla. Fast inte riktigt vilket slags såpbubbla som helst.

På långt håll ser det ut som ett svart hål av vanligt slag, men om man reser närmare finner man att det inte alls finns någon farlig horisont att trilla igenom. En bit utanför där horisonten skulle ha legat möter man istället en hård yta som i själva verket är en bubbla som omsluter en tom rymd. Tom så när som på en extremt stor negativ energi. Man talar om ett anti de Sitter-rum – AdS i dagligt tal. Bubblans vägg består av ett membran av hög massa som dessutom lindar sig kring osynigt små extra dimensioner. Membranets höga massa tar ut den negativa energin innuti bubblan och mellanskillnaden är det svarta hålets massa. På membranet kyrper det dessutom runt en massa vibrerande små strängar. För det är förstås strängteori det handlar om.

Men det gäller att inte förhasta sig. Bubblans vägg är lika farlig att komma nära som en riktig horisont. Om man hoppar ner på bubblan sugs man upp av av gasen av strängar och blir fast. Att komma därifrån är nästan lika hopplöst som att komma ut ur ett svart hål.

Var kommer bubblan ifrån? I den vanliga tomma rymden bildas det inga bubblor. Sannolikheten är låg, mycket låg för att det skall hända. Om det ändå inträffar är det en katastrof för hela universum som kommer att ätas upp av den expanderande bubblan. Den första gång en bubbla skapas utan ett skyddande hölje av materia kan vi alla hälsa hem. Men det är inget att oro sig över, den dagen den sorgen.

Men om en stjärna får för sig att kollapsa och hotar att skapa ett svart hål förändras spelreglerna. Plötsligt blir det istället överväldigande sannolikt att en bubbla plötsligt blåser upp sig och fångar in den kollapsande materien. Materien i stjärnan får möjlighet att förvandlas tilll strängar som sitter fast på bubblan. Detta gör det möjligt att kraftigt öka entropin, eller oordningen, och därför är det också just det som händer.  Läs mer om entropi här.   En evig (nästan) balans infinner sig och bubblan stabiliserar sig.

Det är en vacker tanke att tänka sig svarta hål som såpbubblor som svävar runt i rymden. Samtidigt är det förstås också lite skrämmande. I sin buk bär de svarta bubblorna en föraning om en framtid där hela universum kommer att gå under.

English version:

Black holes as bubbles of doom

In recent blog posts, I have hinted that I would tell you what a black hole really is. Now it’s time. But keep in mind, all of this is new, wild and possibly completely wrong. Time will tell.

You usually imagine a black hole to be like an abyss from which there is no return. When you have fallen through the event horizon there is no way back, and you can only wait for being smashed to pieces in the singularity, where time and space cease. So we have believed, but is it really true?

Black holes lead to awkward paradoxes when you turn on quantum mechanics – faithful readers of this blog recall a series of posts (in Swedish) describing this. The problem is so profound, that it would probably be better if the black holes in a strict sense did not exist. Could it even be that a working theory of quantum gravity, such as string theory, prevent them from ever be created? Many physicists have started to entertain thoughts like this, and together with Giuseppe Dibitetto and Suvendu Giri, we propose such a possibility with the help of strings. The paper we recently wrote can be found here.

What we claim is that a black hole is like a soap bubble. From a long distance it looks like an ordinary black hole, but if you move in for a close up you find that there is no dangerous horizon at all to fall through. A bit outside where the horizon would have been, you encounter a hard surface, which in fact is a bubble that encloses an empty space. Empty except for the presence of an extremely large and negative vacuum energy called anti de Sitter space, or- AdS for short. The wall of the bubble consists of a membrane of extraordinary high mass density that wraps around small invisible extra dimensions. The high mass of the membrane is barely cancelled by the negative energy inside the bubble, with the difference giving rise to the mass of the black hole. On the membrane one also finds a gas of vibrant little strings. After all, we are doing string theory.

But one better be careful. The wall of the bubble is as dangerous as a real black hole horizon. If you jump down and try to step on the bubble, you are sucked up by the gas of strings and get stuck. To escape is almost as difficult as getting out of a black hole.

Where does the bubble come from? In empty space there are no bubbles. The likelihood is low, very low, for bubbles to form. If it does happen, it would spell disaster for the entire universe that inevitable will be eaten by the expanding bubble. The first time such a bubble of doom is created, without a protective envelope of matter, all hope is gone. But for now there is no need to worry.

If a star starts to collapse and threatens to create a black hole, the rules of the game change.  It becomes overwhelmingly likely that a bubble nucleates out of nothing and expands to catch the collapsing matter. The matter of the collapsing star can now rapidly transform into strings attached to the bubble and greatly increase its entropy, or disorder. All in accordance with the second law of thermodynamics. An eternal (almost) balance is set up and the bubble stabilizes.

It is a beautiful thought that black holes are like soap bubbles floating around in space. At the same time, it is also a little scary. In the bellies of the black bubbles there is a foreboding of the future death of the universe.